天津中心城区基坑降水对地面沉降的影响范围研究

时绍玮，朱庆川，徐 冬



天津中心城区基坑降水对地面沉降的影响范围研究

时绍玮，朱庆川，徐 冬

（天津市控制地面沉降工作办公室，天津300061）

依托天津地区5个典型工程案例，对基坑降水引起的地面沉降规律进行了基本分析。由于基坑降水引起地面沉降的范围较远，往往能达到墙后5～10倍基坑开挖深度的距离，而实际基坑工程坑外沉降的测点往往布置在墙后1～4倍基坑开挖深度的距离，因此难以全面的获得不同类型基坑（如基坑深度不一）降水对地面沉降的影响范围。本文利用有限差分软件Modflow建立三维地下水渗流模型，并利用文化中心站的工程实测数据对该模型进行验证，最后利用该模型研究不同开挖深度的基坑（5～25m）降水对地面沉降的影响范围，并探讨5种不同止水帷幕截断方式的工况下坑内降水后坑外水位及地面沉降随时间发展关系。

基坑；沉降；范围；发展；关系

0　前言

随着城市发展速度与建设规模的不断加大，建筑基坑规模和深度也随之加大，基坑降水量不断攀升。研究成果表明，天津市建筑密集区基坑降水引发地面沉降的贡献率已经占到地面沉降总量的16%左右，但是由于基坑降水引发地面沉降在天津发生的历史较短，导致在基坑降水过程中进行回灌所采用的方式、方法及相关技术要求的研究起步较晚，学者对其发生、发展及影响范围的规律研究不深，导致在管理上缺乏有力的科研依据。因此，本文以《天津市基坑降水引发地面沉降规律分析》为依托，同时以典型基坑工程为案例，探讨不同深度及不同截断方式的基坑降水对地面沉降的影响范围及发展关系，为进一步制定行之有效的管理措施提供科学依据（叶淑君等，2005；杨建民等，2008；杨建民等，2010）。

1　有限差分模型建立及验证

首先依托文化中心站抽水试验对数值模型进行校核。抽水试验详情见表1，其中W2、W3分别为第一、二承压层降压井；P2-1～P2-3、P3-1～P3-3分别为第一、二承压层水位观测井；DCCJ01～DCCJ10为地面沉降监测点，为了保护测点，将其布置在地表下2m；分层沉降监测点和分层孔压监测点分别布置了4组，每组包括3个位置接近的测孔，如FCCJ1-1～FCCJ1-3、KXS1-1～KXS1-3，其埋置深度分别为4m、8m、12m（周念清等，2011；杨建民，2013）。

表1　抽水试验基本情况Tab.1 pumping test process

根据土层分布，建立了三维地下水渗流数值模型。分别对W2井、W3井抽水试验进行数值模拟，将计算的观测井P2-1～P2-3及P3-2～P3-3的水位降深与现场抽水试验的观测井降深做对比（图1、图2）。由图1、图2可看出，建立的三维地下水渗流数值模型可以反映实际场地土层特性，可用于研究基坑降水引发沉降的范围。

图1.W2抽水试验过程中水位降深计算值与实测值对比Fig.1 W2 pumping test in the process of water level drawdown calculated value compared with the measured values

图2.W3抽水试验过程中水位降深计算值与实测值对比Fig.2 W3 pumping test in the process of water level drawdown calculated value compared with the measured values

2　沉降影响范围

基于验证过的数值模型，通过对不同深度的基坑分别进行模拟，通过对截断第一和第二层承压含水层的程度，经过180天的抽水后引发地面沉降量的大小的分析，来控制沉降的影响范围，从而对地下支护结构设计方案进行优化。截断方式有以下几种（张刚等，2008；王春波等，2013）：

第一含水层组：工况一，未对第一承压含水层进行处理；工况二，截断第一承压含水层总厚度的1/2；工况三，对第一承压含水层全部截断。

第二含水层组：工况四，未对第二承压含水层进行处理；工况五，截断第二承压含水层总厚度的1/4；工况六，截断第二承压含水层总厚度的1/2；工况七，截断第二承压含水层总厚度的3/4；工况八，对第二承压含水层全部截断。

基于地下连续墙对第二承压含水层的的截断方式的不同，来控制基坑周边地表沉降。将地表沉降分为10mm、20mm、30mm、40mm四条等值线，研究基坑中部地连墙与四条等值线距离，得出地面沉降影响范围从而提出墙深控制指标（图3），统计计算结果见表3（王建秀等，2009） 。

表2　不同深度的基坑在不同工况下最大沉降量对比Tab.2 Different depth of excavations under different conditions the biggest settlement

表3　不同深度的基坑在不同止水工况下与各等值线的距离Tab.3 Different depth of excavations under different water conditions and the distance of the contour

图3　基坑周围地表沉降等值线与基坑距离示意图Fig.3 The isoline the ground settlement around excavations and excavations distance diagram

3　沉降发展过程

基于上文数值模型，以25m深基坑为例，探讨5种不同止水帷幕截断方式的工况下坑内降水后坑外水位及地面沉降随时间发展关系，选取坑外距离地连墙中点约10m位置进行分析。图4为地面沉降时程曲线，图5为坑外承压层水位变化时程曲线，图6为坑外承压层上覆弱透水层水位变化时程曲线。

由图4可以看出，地面沉降在降水开始后10～20天发展较快，且能完成最终沉降的75%以上，而由于承压层上弱透水层及潜水层中渗透性较差土层的存在，地面沉降在所计算的180天后仍未稳定，尤其是止水帷幕没有截断承压层的各工况（陈崇希等，1999；张宏仁，1984）。

图4　深25m 基坑不同工况下沉降随时间变化Fig.4 25m excavations under different working conditions change over time

图5　深25m 基坑不同工况下承压水位随时间变化Fig.5 25m excavations under different working conditions change over time

图6　深25m 基坑不同工况下弱透水层水位随时间变化Fig.6 25m excavations under different working conditions of weak permeable layer water level change over time

4　结论

（1）对于基坑开挖深度为5m、10m的基坑，由于基坑开挖深度相对较小，且坑底距离第一承压层层顶距离较大（一般约10m），故一般不需对第一承压层进行降压处理，故基坑降水引起的坑外地面沉降范围很小（若止水帷幕不发生渗漏的条件下）。

（2）深15m基坑由于不需要对第二承压含水层进行减压，所以基坑降水并不会引发该含水层水位明显下降，故第二承压含水层是否截断对坑外地表沉降影响较小。

（3）深20m基坑需要对第二承压含水层进行减压，加深止水帷幕深度会增加地下水渗流路径，从而改变地下水渗流，减小坑外土体沉降。

对于10mm的沉降影响范围，根据基坑止水帷幕深度的不同，该范围介于0～42m；对于20mm的沉降影响范围，根据基坑止水帷幕深度的不同，该范围介于0～10m；而不论基坑止水帷幕是否截断第二承压层，深20m基坑满足降压要求后，基本不会出现坑外30mm的沉降。此外，当止水帷幕截断50%以上时，10mm沉降影响范围有明显“收缩”，当止水帷幕截断75%以上，可将10mm沉降控制在距离基坑10m以内。

（4）深25m基坑开挖较深，如地下连续墙未截断第二承压含水层，为防止坑底凸涌，需对该含水层进行减压处理，由于降深较大，坑外地表会出现较大沉降（约40mm）。

对于10mm的沉降影响范围，根据基坑止水帷幕深度的不同，该范围介于0～140m；对于20mm的沉降影响范围，根据基坑止水帷幕深度的不同，该范围介于0～88m；对于30mm的沉降影响范围，根据基坑止水帷幕深度的不同，该范围介于0～46m；对于40mm的沉降影响范围，根据基坑止水帷幕深度的不同，该范围介于0～10m。

此外，对于10mm的沉降影响范围，增加止水帷幕深度对其影响不大，如果周围建筑对沉降敏感，沉降需要控制在10mm以内时，建议将第二承压水截断；对于20mm的沉降影响范围，止水帷幕截断50%以上时，其沉降影响范围有明显“收缩”；对于30mm的沉降影响范围，止水帷幕截断25%以上时，其沉降影响范围有明显“收缩”。

（5）基坑降水后，地面沉降在降水开始后10～20天发展较快，且能完成最终沉降的75%以上，而由于承压层上弱透水层及潜水层中渗透性较差土层的存在，地面沉降在较长时间内仍不能稳定，尤其是止水帷幕没有截断承压层的工况。

［1］叶淑君，薛禹群，张云，等. 上海区域地面沉降模型中土层变形特征研究［J］. 岩土工程学报，2005，27（2）：140～147.

［2］杨建民，郑刚，焦莹. 天津站抽水试验分析［J］. 土木工程学报，2008，41（7）：67～70.

［3］杨建民，郑刚，焦莹. 天津站抽水试验数值反演分析［J］. 土木工程学报，2010，43（9）：125～130.

［4］周念清，唐益群，娄荣祥，等. 徐家汇地铁站深基坑降水数值模拟与沉降控制［J］. 岩土工程学报，2011，32（12）：1950～1956.

［5］杨建民. 无越流承压含水层降落漏斗体积［J］. 岩土工程学报，2013.

［6］张刚，梁志荣. 承压水降水引起地表沉降现场试验研究［J］. 岩土工程学报，2008，30（S）：323～327.

［7］王春波，丁文其，刘文军，等. 非稳定承压水降水引起土层沉降分布规律分析［J］. 同济大学学报（自然科学版），2013，41（3）：361～367.

［8］王建秀，吴林高，朱雁飞，等. 地铁车站深基坑降水诱发沉降机制及计算方法［J］. 岩石力学与工程学报， 2009，28（5）：1010～1019.

［9］陈崇希，林敏. 地下水动力学［ M］. 武汉：中国地质大学出版社，1999.

［10］张宏仁. 漏斗体积的空间分布［J］. 水文地质工程地质，1984.

Research on Foundation Pit Precipitation Affecting Land Subsidence in Tianjin Center Urban Area

SHI Shaowei， ZHU Qingchuan， XU Dong
（Tianjin Land Subsidence Controlling Office， Tianjin 300061）

Based on five typical engineering cases in Tianjin center urban area， the ground settlement caused by foundation pit precipitation is systematically analyzed. Using finite difference software Modflow， 3D groundwater seepage model is established， and the mode is tested and verified by the measured data. The model is used to study the land subsidence scope influenced by different excavation depth of foundation pit precipitation （5～25m）. Finally， for the five different water stop curtain truncation method， this paper discusses the relationship between pit precipitation water level and land subsidence with time.

Foundation pit； Land subsidence； Scope； Development； Relationship

TU753

A

1007-1903（2016）02-0038-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.02.008

时绍玮（1983- ），女，主要研究方向：控制地面沉降管理。邮箱：zhuqhdx@163.com